可灵活配置的数字无人机模拟训练信号配置方法及应用与流程

1.本发明属于无人机模拟训练技术领域，具体涉及一种可灵活配置的数字无人机模拟训练信号配置方法及应用。


背景技术：

2.在无人机交付用户后，用户需要通过模拟训练系统进行训练。模拟训练系统由数字无人机、飞行操控台、训练管理软件、模拟载荷等组成。用户通过飞行操控台对数字无人机进行操控，了解无人机操纵性、自主处理流程等，这些操作目的都是尽量覆盖飞行试验时的真实场景，在飞行任务执行前充分验证系统，从而加深对无人机系统的了解。其中无人机模拟训练系统中的数字无人机部分主要功能包括：模拟无人机运动、模拟控制、模拟机上设备遥测信息等。而无人机组成复杂，包含多个子系统，典型的有动力系统、飞控系统、航电系统等，若将数字无人机按照全部件物理建模，将造成数字无人机规模大、接口复杂、调试难度大等一系列问题，还伴随有跨部门协调、知识产权保护等实际问题。


技术实现要素：

3.为了解决现有无人机模拟训练系统数字无人机中全部件物理建模复杂，调试难度大等问题，本发明设计了一种可灵活配置的数字无人机模拟训练信号配置方法，该配置方法通过读取xml配置文件来实现相应物理量数值模拟，略去复杂的物理建模及调试过程，缩短研制、调试周期。
4.本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：
5.一种可灵活配置的数字无人机模拟训练信号配置方法，包括如下步骤通过试验模拟无人机故障，统计无人机故障时物理量变化曲线；
6.将物理量信号分解为阶跃信号、斜坡信号、正弦信号三种信号基；
7.设计xml配置文件元素属性，将每个故障物理量信号通过一个xml配置文件存储；
8.数字无人机接收注入故障信息，调用并读取对应的xml配置文件，输出物理量信号。
9.进一步地，所述物理量信号通过设置三种信号基的幅值、频率以及加权组合来模拟。
10.进一步地，所述xml配置文件根元素属性为加权信号基的数量，子元素属性为信号基的类型，子元素值为信号幅值、信号频率、信号斜率、信号延时。
11.进一步地，读取xml配置文件的流程为
12.读取根元素，得到加权信号基个数记为m；
13.从1至m遍历子元素，根据子元素属性配置信号基，然后读取其子元素值，组成信号基表达式；
14.将所有信号基加权得到配置的物理量信号。
15.进一步地，所述三种信号基加权方式为加和。
16.本发明还提供了一种采用上述数字无人机模拟训练信号配置方法的数字无人机。
17.进一步地，所述数字无人机包括导航控制模拟模块、飞行控制模拟模块、飞行运动模拟模块、机载设备模拟模块、发动机模拟模块、故障模拟模块、无人机指令接收和无人机遥测发送模块；
18.所述导航控制模拟模块根据装订导航点及运动状态信息生成无人机位置环控制指令；
19.所述飞行控制模拟模块依据无人机位置环控制指令、遥控指令解算控制律得到控制指令，发送模拟的遥测数据；
20.所述飞行运动模拟模块根据控制指令输入解算模型模拟无人机运动；
21.所述故障模拟模块接收故障注入指令，设置相应的故障标志位；
22.所述机载设备模拟模块读取故障标志位后，调用故障对应的xml配置文件，根据当前无人机飞行状态信息模拟机上设备；
23.所述发动机模拟模块读取故障标志位后，调用故障对应的xml配置文件，根据发动机控制指令模拟发动机特性；
24.所述无人机指令接收模块接收遥控指令，发送给飞行控制模拟模块；
25.所述无人机遥测发送模块接收飞行控制模拟模块发的遥测数据，并向外发送。
26.进一步地，所述数字无人机中分别为机载设备和发动机的各个部件建立独立的物理量xml配置文件读取接口。
27.本发明还提供了一种采用上述数字无人机的无人机模拟训练系统。
28.进一步地，所述无人机模拟训练系统包括数字无人机、飞行操控台、训练管理台、模拟载荷；所述训练管理台用于设置训练科目初始配置、实时注入故障；所述数字无人机用于接收注入故障信息后进行故障模拟、处理，并将遥测信息传至飞行操控台；所述飞行操控台用于呈现遥测信息；所述模拟载荷用于模拟载荷监视图像的效果。
29.本发明与现有技术相比的有益效果：
30.本发明设计了一种可灵活配置的数字无人机模拟训练信号配置方法，基于xml配置文件进行信号模拟，使得无人机模拟训练系统可以不依赖于各个部件的物理模型，实现各设备遥测数据模拟的效果。在项目研制阶段可实现快速调试与测试。该方法有利于模拟训练系统的开发与调试，可以缩短验证阶段调试时间，使飞模拟训练系统对需求迭代有快速适应能力，提高了效率。
31.本发明采用阶跃信号、正弦信号、斜坡信号三个基信号表示物理量，可以模拟表示与无人机故障相关物理信号的变化趋势，同时这种模拟方法可以简化物理建模过程，使用方便快捷。
附图说明
32.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本发明具体实施例提供的无人机模拟训练系统的结构示意图；
34.图2为本发明具体实施例提供的数字无人机组成示意图；
35.图3为本发明具体实施例提供的数字无人机运行原理图；
36.图4为本发明具体实施例提供的xml文件读取流程图。
具体实施方式
37.下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
38.在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
39.为了便于理解技术方案，首先对无人机模拟训练系统、数字无人机组成、功能进行说明，然后对数字无人机模拟训练信号配置方法进行详细阐述。
40.一、模拟训练系统
41.1.1系统组成
42.无人机模拟训练系统包括数字无人机、飞行操控台、训练管理台、模拟载荷等，系统内各部件间通过网络通信，系统组成如图1所示。
43.模拟训练系统中，飞行操控台和训练管理台为2个席位，分别用于被训练人员和教练员。训练管理台负责设置训练科目初始配置、实时注入故障等，数字无人机接收到注入故障信息后进行故障模拟、处理等，并将遥测信息传至飞行操控台显示，被训练人员根据飞行操控台的呈现数据来进行操纵决策，从而实现模拟训练的目的。
44.载荷是无人机搭载的用于侦查、监视目的的设备，模拟载荷用于模拟载荷监视图像的效果，也是模拟训练系统的一部分。
45.1.2数字无人机组成
46.数字无人机提供无人机6自由度运动模型、飞控系统、动力系统、航电系统模拟等功能，包含真实无人机的所有子系统的数学模拟，是一个多学科综合、复杂的集成软件。
47.本发明数字无人机功能模块如图2所示，包括飞行运动模拟模块、飞行控制模拟模块、机载设备模拟模块、导航控制模拟模块、发动机模拟模块、故障模拟模块、无人机指令接收和无人机遥测发送模块等8部分实现数字无人机特性模拟。飞行运动模拟模块根据控制指令输入解算模型来模拟无人机6自由度运动；飞行控制模拟模块依据无人机位置环控制指令、遥控指令解算控制律得到控制指令，输出给飞行运动模拟模块，实现无人机位置、姿态控制，同时发送模拟的遥测数据；导航控制模拟模块根据装订导航点及运动状态信息实现无人机位置环控制指令的生成；故障模拟模块接收训练管理台发送的故障注入指令，并设置相应的故障标志位。机载设备模拟模块和发动机模拟模块接收到故障标志位后，可以读取本地配置的xml文件进行物理信号模拟。机载设备模拟模块读取故障标志位后，调用故障对应的xml配置文件，根据当前无人机飞行状态信息模拟机上电气、高度表、舵系统、发电机等设备，实现响应物理量、状态量的模拟；发动机模拟模块读取故障标志位后，调用故障对应的xml配置文件，根据发动机控制指令模拟发动机特性，输出推力、转子转速等。无人机指令接收模块接收飞行操控台发送的遥控指令，然后向飞行控制模拟模块发送遥控指令；
无人机遥测发送模块接收飞行控制模拟模块发来的遥测数据，打包遥测数据帧并向外发送。
48.本发明数字无人机中，以飞行控制模拟模块为调度核心，按程序飞行过程中，飞行控制模拟模块接收导航指令，输出控制指令控制无人机运动，从而形成一个控制闭环。如图3所示，故障模拟模块接收训练管理台注入的故障信息，设置故障标志位。机载设备模拟模块、发动机模拟模块判断到故障标志位后读取相应的配置文件，随后故障呈现。数字无人机上设置自主处理的故障将通过飞行控制模拟模块进行故障判断、处理；数字无人机上未设置自主处理的故障将遥测至飞行操控台由地面遥控人员进行处理。
49.传统数字无人机，当接收到训练管理台注入故障信号后，故障模拟模块设置相应的故障标志位，机载设备模拟模块和发动机模拟模块读取到相应标志位后改变相应部件物理模型的运行机制来实现故障模拟。这样实现依赖物理建模，增加数字无人机的系统复杂度，调试难度增加。
50.本发明将机载设备模拟模块、发动机模拟模块中物理量信号输出用xml配置实现，根据故障类型、数据协议、物理量范围来模拟物理信号的变化，当接收到故障注入信号后，可实时改变信号规律。例如，接收到发电机故障注入信息后，故障模拟模块将发电机故障标志置为true，机载设备模拟模块的“母线电压”物理量应缓慢下降，一般而言无人机机载设备供电电压为28.5v，母线电压一般维持在26～30v之间，发生发电机故障后，模拟母线电压从28.5v以每5分钟0.1v的速率下降，而母线电压信号的变化过程通过xml配置文件实现，这样就实现了故障模拟的动态过程。
51.二、可灵活配置的数字无人机模拟训练信号配置方法
52.传统的数字无人机物理信号量通过物理建模得到，本发明提出一种无需全部件物理建模，通过读取配置文件对关键信号进行数值模拟的方法实现遥测信息呈现，从而达到模拟训练的目的。
53.本发明提供的一种可灵活配置的数字无人机模拟训练信号配置方法包括如下步骤：
54.s1、通过试验模拟无人机故障，统计无人机故障时物理量变化曲线。
55.s2、将物理量信号分解为阶跃信号、斜坡信号、正弦信号三种信号基，通过设置三种信号基的幅值、频率以及加权组合来模拟不同变化规律的物理量。
56.无人机遥测数据一般分为物理量和状态量，状态量的模拟相对简单，不是本发明讨论的重点。本发明将物理量信号分为3种信号基——阶跃信号、斜坡信号、正弦信号，通过设置几种信号基的幅值、频率以及加权组合来模拟各种变化规律的物理量。信号的加权规则通过读取xml配置文件实现。
57.s3、设计xml配置文件元素属性，将每个故障物理量信号通过一个xml配置文件存储。令xml配置文件根元素属性为加权信号数量，子元素属性为信号基的类型，子元素值为信号幅值、信号频率、信号斜率、信号延时。
58.xml语言设计初衷是用来传输和存储数据，现已广泛应用。xml文件以代码形式形成树结构的数据，扩展性强。文件中标识根元素、子元素、同胞元素等元素关系，每个元素分配有其他元素、属性、文本等内容，使用灵活。
59.本发明将加权信号数量作为根元素的属性读取，即该物理量由多少个信号叠加而
成；将信号基的类型作为子元素属性读取；将信号幅值、信号频率、信号斜率、信号延时等作为子元素值读取，从而构成一个信号基的必备要素。现将信号与文件表述对应关系列表如下。
60.表1信号与文件表述对应关系
[0061][0062]
以发电机故障举例，接收到发电机故障注入信息后，故障模拟模块将发电机故障标志置为true，机载设备模拟模块判到故障标识后，读取xml文件母线电压配置部分。xml文件中母线电压配置为实现母线电压从28.5v开始每5分钟下降0.1v。本实施例中正弦信号用于模拟电压细小采集误差，即一个高频震荡信号振幅a为0.01、频率为50hz的sin信号基，即y＝0.01sin(2*3.14*50*t)。
[0063]
则xml文件中，根元素设置为信号个数3，子元素分别为3个信号基，对三个信号基的子元素ampl、freq、slope、delay进行设置。
[0064]
s4、数字无人机接收注入故障信息，调用并读取对应的xml配置文件，输出物理量信号。
[0065]
通过xml文件中元素属性、值等信息的设置，本发明在数字无人机中增加读取、解析xml文件的代码，即可实现配置物理量信号的计算功能。xml文件以树结构呈现数据，所以程序按照树结构读取xml文件数据。由根元素属性设置加权信号个数，按照该个数对子元素属性和值进行遍历得到每个信号信息。
[0066]
读取xml配置文件的流程如图4所示，具体为1)读取根元素，得到加权信号个数记为m；2)从1至m遍历子元素，当子元素属性sin可知是配置正弦信号，然后读取其子元素1～元素4的值获取幅值、频率、斜率、延时等，读取完毕即组成正弦信号；3)按照该方法依次读取第2～m个子元素；4)将所有信号基加权即得到配置的物理量信号。
[0067]
本实施例中，三种信号基加权方式为加和。
[0068]
数字无人机程序中包含时间变量，信号随时间连续变化，所以读取xml文件后信号的变化规律会保持到模拟训练结束。若模拟训练过程中重新注入新的故障，则信号变化规律重置，从而实现实时注入故障功能。
[0069]
在数字无人机中分别为机载设备和发动机的各个部件建立独立的物理量xml配置文件读取接口，每个故障物理量采用一个独立的xml配置文件。配置文件中按照规定的信号顺序设置，该顺序保持配置文件与读取程序一致即可。程序按照文件规则读取文件内容实现信号的配置功能。
[0070]
本发明适用于无人机模拟训练系统，用于模拟无人机系统中子系统、设备的运行情况。这种灵活配置的无人机模拟训练模型，可以按照期望的规律产生相应数据，不需要为
子系统或设备开展严格的物理建模，故障现象、故障数据的触发仅通过读取配置文件即可实现，使用方便灵活。
[0071]
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
[0072]
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
[0073]
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
[0074]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0075]
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。